Ứng dụng ông nghệ gnss trong hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm

Các hệ thống này còn giúp ngăn chặn bạo lực, bảo vệ nạn nhân tránh được sự xâm hại của các đối tượng nguy hiểm, triệt phá các băng nhóm tội phạm… và đặc biệt nhờ hệ thống này các đối tượ

-NGUYỄN THỊ HƯƠNG TRANG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG

HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TỘI PHẠM

CHUYÊN NGÀNH : XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẦU 1

1 Bài toán theo dõi và giám sát tội phạm 5

2 Mục tiêu và phạm vi của luận văn 6

3 Phương pháp thực hiện 7

4 Tóm tắt kết quả đạt được 7

6 Nội dung chính của luận văn 7

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TỘI PHẠM 9

I Giới thiệu chung 9

II Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm 10

2.1 Thế hệ thứ nhất 10

2.2.1 Xác minh giọng nói 11

2.2.2 Quản thúc tại nhà 11

2.2 Thế hệ thứ hai 11

2.2.1 Sử ụ d ng tần số vô tuy n RF 12 ế 2.2.2 Sử ụ d ng công nghệ GNSS 14

2.3 Các công nghệ mới ứng dụng trong các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm 15

2.3.1 Giải pháp tích hợp Assisted GPS (AGPS) 15

2.3.2 Sử dụng đối sánh mẫu (Fingerprinting) 15

2.3.3 Suy diễn tính toán (Dead Rekoning) 16

2.3.4 WiFi và WiMax 16

2.3.5 Các tín hiệu radio công cộng/TV/FM 16

2.4 Lựa chọn phương pháp 17

III Phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS 18

3.1 Các hướng ứng dụng 18

3.1.1 Cải tạo không giam giữ 18

3.1.2 Giám sát những đối tượng bị tình nghi 18

3.1.3 Giám sát quá trình di chuyển tù nhân 18

3.1.4 Theo dõi các đối tượng nguy hiểm khi hết hạn tù 19

3.1.5 Kiểm soát các băng nhóm tội phạm 19

3.1.6 Ngăn chặn bạo lực gia đình 19

3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 19

3.3 Một số hạn chế của phương pháp sử dụng công nghệ GNSS 21

3.3.1 Về mặt công nghệ 21

3.3.2 Các vấn đề khác 22

3.4.Một số vấn đề đặt ra 23

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU VÀ ỨNG DỤNG 25

I Giới thiệu chung 25

1.1 Mở đầu 25

1.2 Lịch sử phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 26

1.3 Vài nét khái quát về các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 27

1.3.1 GPS 27

1.3.2 GLONASS 27

1.3.3 GALILEO 28

1.3.4 Các hệ thống vệ tinh dẫn đường địa phương 28

II Nguyên lý cơ bản của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 29

2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS 29

2.2 Cơ cấu của hệ thống 31

2.2.1 Phần không gian 31

2.2.2 Phần điều khiển 32

2.2.3 Phần người sử dụng 33

2.3 Nguyên lý xác định vị trí của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 33

2.3.1 Nguyên tắc xác định vị trí 33

III Sai số và những phương pháp nâng cao độ chính xác 37

3.1 Cấp chính xác của hệ thốngGPS 37

3.2 Sai số trong định vị sử dụng vệ tinh 38

3.2.1 Sai số khoảng cách quy về sai số vị trí (UERE -User Equivelent Range Error) 38

3.2.2 Sự làm giảm độ chính xác liên quan đến sự bố trí hình học các vệ tinh (DOP Dilution of Precision) - 42

3.3 Các phương pháp nâng cao độ chính xác 42

3.3.1 GPS vi sai 42

3.3.2 Hệ thống hỗ trợ vùng mở rộng 43

IV Máy thu GNSS 44

4.1 Cấu trúc máy thu 44

4.1.1 Anten và bộ tiền khuếch đại 45

4.1.2 Phần nhận vô tuyến RF 45

4.1.3 Bộ điều khiển 45

4.1.4 Bộ nhớ 46

4.1.5 Nguồn nuôi 46

4.2.Giao thức dành cho máy thu 46

V Ứng dụng của GNSS 48

5.1 Các hướng ứng dụng GNSS 48

5.2 Tình hình ứng dụng GNSS tại Việt Nam 49

5.2.1 Quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường: 49

5.2.2.Hỗ trợ cứu hộ, cứu nạn tàu đánh cá trên biển 50

5.2.3 Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí và khí đốt 51

5.2.4 Quản lý các phương tiên giao thông đường bộ 51

5.3 Ứng dụng GNSS trong ngành Công an 53

5.3.1 Tiềm năng ứng dụng GNSS trong ngành Công an 53

5.3.2 Các hướng ứng dụng GNSS trong ngành Côn g an 55

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TỘI PHẠM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GNS S 59 I Mô hình hệ thống 60

1.1 Yêu cầu của hệ thống 60

1.2 Các thành phần trong hệ thống 60

1.2.1 GPS tracking 61

1.2.2 Bộ á ph t vô tuy n 62 ế 1.2.3 Dịch vụ dữ liệu không dây 62

1.2.4 Trung tâm giám sát 64

II Thiết kế chương trình mô phỏng quản lý vị trí tội phạm trên bản đồ số 71

2.1 Tổng quan về chương trình 71

2.1.1 Mục đích 71

2.1.2 Mô hình hệ thống 71

2.1.3 Yêu cầu 71

2.1.4 Công nghệ 72

2.2 Cơ sở dữ liệu 76

2.2.1 Các thực thể 76

2.2.2 Tạo cơ sở dữ liệu 77

2.2.3 Cấu trúc chi tiết các bảng dữ liệu. 78

2.2.4 Mô hình thực thể liên kết. 80

2.3 Các chức năng chính trong chương trình 81

2.3.1 Hiển thị ả b n đồ theo chu n MapInfo 81 ẩ 2.3.2 Hiển thị ị v í tr hi n thời của đố ệ i tư ợ ng 81

2.3.3 Xem lại lộ ì tr nh của đố i tư ợ ng 83

2.3.4.Cảnh báo khi đối tượng đi vào vùng cấm 84

2.3.5.Theo vết đối tượng 84

2.3.6 Chức năng truy vấn 85

2.3.7 Các tiện ích khác 85

CHƯƠNG IV: CÀI ĐẶT VÀ TRIỂN KHAI CHƯƠNG TRÌNH 87

I Cài đặt 87

1.1 Lựa chọn môi trường cài đặt 87

1.2 Lựa chọn mô hinh cài đặt 87

1.3 Chương trình quản lý vị trí tội phạm và mô hình 3 lớp 89

II Tri n khaiể 91

III Nh n xậ é à át v đ nh giá 91

KẾT LUẬN 94

1 Các kết quả đạt được 94

2 Hướng phát triển 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

M Ở ĐẦ U

1 Bài toán theo dõi và giám sát tội phạm

Đất nước ta đang tiến vào thế kỷ 21, trong bối cảnh tình hình thế giới, khu vực còn diễn biến hết sức phức tạp, khó lường, thuận lợi và nguy cơ luôn đan xen nhau Ngành Công an cũng không nằm ngoài quy luật đó Theo báo cáo, trung bình mỗi năm toàn quốc xảy ra trên 80.000 vụ phạm tội các loại, điều này cho thấy số lượng tội phạm đã tăng rất nhanh so với trước đây Không chỉ tăng về số lượng, đặc điểm các loại tội phạm cũng có nhiều thay đổi Các loại tội phạm ngày càng tinh vi và xảo quyệt hơn, chúng luôn dùng mọi thủ đoạn, kể cả các phương tiện kỹ thuật công nghệ cao để thực hiện các hành vi phạm tội, chống phá, đe dọa an ninh chủ quyền quốc gia của nước ta Loại hình tội phạm có tổ chức ngày càng phổ biến như: tội phạm buôn lậu, tội phạm ma túy; tội phạm hình sự; khủng bố, bắt cóc,… và hoạt động trong phạm vi địa bàn rộng trong toàn lãnh thổ nội địa, khu vực, quốc tế Do đó, nhiệm vụ bảo vệ an ninh quốc gia, giữ gìn trật tự an toàn xã hội của lực lượng Công an nhân dân ngày càng nặng nề và khó khăn

Từ thực tế đấu tranh giữ gìn an ninh chính trị và trật tự xã hội của lực lượng Công an nhân dân cho thấy việc áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến, hiện đại vào công tác và chiến đấu đã đem lại hiệu quả cao Để

theo kịp thời đại, hội nhập với khu vực và thế giới, lực lượng Công an nhân dân phải không ngừng nâng cao tiềm lực và trình độ khoa học công nghệ mới

đủ khả năng tiến hành các biện pháp phòng ngừa và đấu tranh trong tình hình mới

Từ những khó khăn mà lực lượng công an phải đối mặt khi số lượng tội phạm ngày càng tăng cao và nhu cầu ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ vào hoạt động nghiệp vụ của ngành, bài toán theo dõi và giám sát tội phạm bằng các công nghệ điện tử ra đời

Các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm được xem như là biện pháp

hỗ trợ giúp các lực lượng chức năng trong quá trình điều tra, tố tụng và xét xử người phạm tội và thi hành án Hệ thống này có thể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau Nó giúp một số đối tượng thay vì phải giam giữ có thể được quản thúc tại gia, tránh sự quá tải của các nhà tù, giảm bớt chi phí cho nhà nước, đồng thời giúp nhiều đối tượng không phải cách ly khỏi cộng đồng, vẫn

có thể sinh hoạt bình thường mà không gây nguy hại và làm ảnh hưởng đến cộng đồng Các hệ thống này còn giúp ngăn chặn bạo lực, bảo vệ nạn nhân tránh được sự xâm hại của các đối tượng nguy hiểm, triệt phá các băng nhóm tội phạm… và đặc biệt nhờ hệ thống này các đối tượng phạm tội sẽ từ bỏ dần

ý định bỏ trốn khi biết mình bị theo dõi và giám sát mọi nơi mọi lúc

Các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm điện tử ra đời đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho lực lượng Công an Việc áp dụng đúng mục đích đúng đối tượng sẽ giúp lực lượng Công an có một công cụ hỗ trợ hiệu quả

trong sự nghiệp giữ gìn an ninh tổ quốc, đảm bảo trật tự an toàn xã hội, mang lại bình yên cho nhân dân

2 Mục tiêu và phạm vi của luận văn

Nhận thấy nhu cầu ứng dụng công nghệ điện tử vào việc theo dõi và giám sát tội phạm của lực lượng Công an cũng như lợi ích của biện pháp này

mang lại, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các biện pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ điện tử, tìm ra một biện pháp hiện đại có nhiều ưu điểm và khả thi nhất và đưa ra giải pháp xây dựng hệ thống và thiết

kế một chương trình mô phỏng việc quản lý tội phạm Đó là phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)

Luận văn chỉ giới hạn trong việc nghiện cứu, xây dựng mô hình hệ thống

và thiết kế một chương trình mô phỏng Trong tương lai chúng tôi mong muốn thử nghiệm hệ thống và đưa vào triển khai trong thực tế nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của lực lượng Công an

3 Phương pháp thực hiện

Để thực hiện luận văn, phương pháp chính của người viết là:

- Nghiên cứu lý thuyết về các công nghệ định vị ứng dụng trong các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm, trong đó tập trung nghiên cứu kỹ về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm ứng dụng công nghệ GNSS

- Nghiên cứu công nghệ bản đồ số qua việc tìm hiểu công cụ Map X của MapInfo và các công cụ hỗ trợ khác từ đó thiết kế chương trình mô phỏng việc quản lý vị trí tội phạm

4 Tóm tắt kết quả đạt được

Với mục tiêu trên luận văn đã khảo sát được các phương pháp giám sát tội phạm, phân tích đánh giá từng phương pháp và lựa chọn phương pháp khả thi nhất có khả năng ứng dụng trong thực tế Đó là phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS, từ đó xây dựng mô hình hệ thống

và thiết kế chương trình mô phỏng việc quản lý vị trí tội phạm

6 Nội dung chính của luận văn

Luận văn gồm bốn chương:

Chương 1: Khảo sát các biện pháp theo dõi và giám sát tội phạm

Chương này tập trung khảo sát các biện pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ điện tử, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp, đưa ra lựa chọn cụ thể và giới thiệu phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS

H

Chương 2: ệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu và ứng dụng

Chương này là những nghiên cứu tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu từ lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động,…đến các hướng ứng dụng trong cuộc sống đặc biệt là các ứng dụng trong ngành Công an

Chương 3: Hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS

Chương này đưa ra mô hình hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS và thiết kế chương trình mô phỏng việc quản lý tội phạm

Chương 4: Cài đặt và triển khai chương trình mô phỏng

Chương này trình bày các bước cài đặt và triển khai chương trình mô phỏng Nhận xét và đánh giá chương trình

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP THEO DÕI VÀ GIÁM

SÁT TỘI PHẠM

I Giới thiệu chung

Số lượng tội phạm không ngừng tăng lên trong đó có nhiều loại tội phạm không nhất thiết phải cải tạo giam giữ nhưng vẫn cần theo dõi và giám sát chặt chẽ chính là nguyên nhân chính dẫn đến sự ra đời các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ điện tử

Các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm ban đầu được thiết kế với mục đích chỉ là theo dõi và giám sát sự có mặt của tội phạm trong một khoảng thời gian cụ thể ở một địa điểm nhất định như tại nhà ở của đối tượng Các hệ thống này có hạn chế là chỉ xác định được đối tượng có ở nhà hay không, trong khi đó các tội phạm cần theo dõi không thể ở nhà suốt cả ngày họ cần phải ra ngoài làm việc, tham gia vào cộng đồng, vì vậy họ có cơ hội hội để trốn tránh sự giám sát của các cơ quan chức năng Các hệ thống dạng này chủ yếu được áp dụng với các đối tượng bị quản thúc tại gia, các đối tượng được hoãn thi hành án

Để mở rộng mục đích và nâng cao hiệu quả của các biện pháp theo dõi

và giám sát tội phạm, các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm liên tục với vùng mở rộng ra đời Với các hệ thống này lực lượng chức năng không chỉ giám sát đối tượng tại nhà, tại một khung giờ giới nghiêm cụ thể mà có thể theo dõi và giám sát đối tượng 24/24, tại bất cứ địa điểm nào, dập tắt mọi hy

vọng trốn tránh sự giám sát của các đối tượng phạm tội Một lợi ích nữa của các hệ thống dạng này là các lực lượng chức năng có thể lưu giữ các thông tin

về lịch trình của đối tượng phục vụ các mục đích khác như loại trừ hoặc đưa đối tượng bị theo dõi vào diện tình nghi trong một vụ án, nghiên cứu tâm lý tội phạm…

Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm có khả năng quản lý và giảm thiểu các nguy cơ mà người phạm tội có thể gây ra cho một cá nhân đặc biệt nào đó hay cộng đồng Các phương pháp này cũng có khả năng bắt buộc

và theo dõi thái độ chấp hành của đối tượng với một hay nhiều điều kiện giám sát Sử dụng các phương pháp này không chỉ theo dõi tội phạm mà còn đem lại nhiều lợi ích cho các bên liên quan, lực lượng chức năng có thể kịp thời phản ứng với các tình huống vi phạm, ngăn chặn hậu quả xấu xảy ra, các nạn nhân cũng có thể được cảnh báo và bảo vệ kịp thời

Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm chỉ là một công cụ hỗ trợ, sự vi phạm hay không cần phải được điều tra độc lập không được chỉ dựa vào các thông tin hay cảnh báo đưa ra từ hệ thống theo dõi và giám sát

Các phương pháp này có thể thay thế cho việc giam giữ đối tượng phạm tội Nhờ vậy có khả năng giảm thiểu các nguy cơ mà đối tượng có thể gây ra cho cộng đồng

II Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm

Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm từ khi bắt đầu được ứng dụng cho đến ngày nay đã có nhiều thay đổi về mục đích sử dụng dẫn đến các thay đổi về công nghệ [7]

2.1 Thế hệ thứ nhất

Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm thế hệ thứ nhất được thiết kế với mục đích chủ yếu là giám sát đối tượng tại nhà sau giờ giới nghiêm theo quy đinh của lực lượng chức năng

2.2.1 Xác minh giọng nói

Đây là phương pháp hệ thống tự động sắp đặt hay nhận các cuộc gọi để kiểm tra sự có mặt của đối tượng phạm tội Bằng cách thiết lập các cuộc gọi ngẫu nhiên trong những khoảng thời gian bất kỳ để xác minh xem đối tượng

có mặt tại nhà hay không sẽ giúp cơ quan chức năng giảm các nguy cơ mà đối tượng có thể gây ra

Phương pháp xác minh giọng nói không phải là phương pháp theo dõi điện tử truyền thống, nó cũng không có khả năng theo dõi liên tục Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để theo dõi đối tượng sau thời gian giới nghiêm

2.2.2 Quản thúc tại nhà

Đây là phương pháp giúp xác minh thái độ phục tùng của các đối tượng tội phạm với các yêu cầu về thời gian giới nghiêm của lực lượng giám sát Hệ thống bao gồm một máy phát vô tuyến kết nối qua modem điện thoại tới trạm thu tại trung tâm Máy phát được gắn cố đinh vào còng chân đối tượng và gửi tín hiệu tới máy thu được kết nối với điện thoại Khi máy phát nằm ngoài phạm vi quy định, tức là đối tượng rời khỏi nơi cư trú, máy thu gửi cảnh báo qua đường điện thoại tới trạm trung tâm, trung tâm sẽ kiểm tra trong dữ liệu xem lúc đó đối tượng có được phép rời khỏi nhà hay không?

Như đã nói mặc dù các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm thế hệ thứ nhất đã giải quyết được bài toán giám sát đối tượng tại một địa điểm cụ thể và trong một khoảng thời gian quy định nhưng chúng đã bộc

lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng và không thể áp dụng trong nhiều trường hợp cụ thể trong thực tế Vì sự giám sát đối tượng sẽ bị ngắt quãng khi đối tượng rời khỏi nơi giám sát Việc giám sát không liên tục sẽ giúp các đối tượng có cơ hội vi phạm các quy định của lực lượng chức năng

2.2 Thế hệ thứ hai

Các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm thế hệ thứ hai ra đời

đã khắc phục được hạn chế của các phương pháp thuộc thế hệ thứ nhất Các hệ thống này có khả năng giám sát đối tượng tại bất kỳ đâu 24/24 với

độ tin cậy cao và nhiều tiện ích kết hợp

Công nghệ định vị trong các hệ thống này chủ yếu sử dụng tần số vô tuyến (RF) và công nghệ vệ tinh dẫn đường toàn cầu (đại diện là GPS)

2.2.1 S dử ụng t n s vô tuy ầ ố ến RF

Phương pháp sử dụng tần số vô tuyến để theo dõi và giám sát tội phạm dựa trên việc đo cường độ tín hiệu và định thời tín hiệu để xác định vị trí đối tượng

2.2.2.1 Dựa vào góc tới ( Angle of Arrival)

Phương pháp này dựa trên việc xác định hướng của tín hiệu thu được từ máy phát RF Hướng của tín hiệu đến có thể được xác định bằng cách gắn 3 anten định hướng theo hướng mà cường độ tín hiệu là lớn nhất Ngoài ra, hướng tín hiệu có thể được xác định từ sự chênh lệch thời gian tới của các tín hiệu đến các thành phần khác nhau của anten Trong khi đó một anten định hướng chỉ cung cấp hướng của thiết bị phát Sử dụng hai anten định hướng riêng biệt cho phép tính toán vị trí của thiết bị phát Trong phương pháp này

vị trí của máy phát được xác định từ vị trí của các anten thu đã biết và góc tới của các tín hiệu tới các anten đó

2.2.2.2 Dựa vào sự chênh lệch thời gian tới (Time difference of arrival)

Sự chênh lệch thời gian tới của các tín hiệu thu được tại các anten riêng biệt có thể được sử dụng được để xác định vị trí Với giá trị vận tốc ánh sáng đã cho, có thể tính toán khoảng cách giữa thiết bị phát RF và anten máy thu nếu thời gian thu phát đã biết Việc đo thời gian để xác định vị trí yêu cầu đồng hồ phải chính xác Chỉ sai số 1ms về thời gian có thể dẫn đến sai số 300m trong không gian Hơn thế nữa, tất cả các đồng hồ dùng để đo phải

được đồng bộ Do việc đồng bộ thiết bị định vị không phải là lựa chọn trong thực tế cho phần lớn các ứng dụng nên phương pháp này cần ít nhất 3 anten thu để xác định vị trí.

2.2.2.3 Dựa vào cường độ tín hiệu tăng cường

Việc tính toán vị trí của các máy phát định vị trong điều kiện không hạn chế tầm nhìn làm một quá trình không phức tạp nếu sử dụng cả hai phương pháp định thời và đo cường độ tín hiệu Khi định thời, thời gian truyền tín hiệu giữa hai điểm nhân với tốc độ ánh sáng cho ta khoảng cách giữa hai điểm Với phương pháp đo cường độ tín hiệu, khoảng cách giữa hai điểm được xác định từ độ suy hao tín hiệu Tuy nhiên tình huống tầm nhìn thẳng là không tồn tại trong phần lớn các trường hợp Trong những trường hợp đó, độ suy hao tín hiệu là không được biết trước và tồn tại nhiều đường truyền phản

xạ giữa máy phát và máy thu Đây chính là hiệu ứng đa đường mà các công nghệ hiện nay chỉ có thể giảm chứ chưa thể loại trừ Hơn nữa, rất khó để dự đoán trước các sai số gây ra bởi hiệu ứng đa đường Hiện nay tại Nhật Bản đã phát triển phương pháp cường độ tín hiệu tăng cường để đối phó với các trở ngại như đa đường, độ suy hao, sự định hướng anten Sử dụng thông tin 3 chiều về địa hình, các tòa cao ốc, hệ thống đường cao tốc , đường ray và các đối tượng làm hạn chế tầm nhìn khác, hệ thống mô phỏng các đặc tính đường truyền tín hiệu RF với mỗi anten phát trong vùng bao phủ Kết quả mô phỏng được lưu trữ trong bảng dữ liệu RF Để xác định vị trí của thiết bị định vị, thiết bị di động sẽ đo cường độ tín hiệu của tốt nhất là từ 3 5 trạm gốc Sử -dụng cường độ tín hiệu và thông tin dữ liệu trạm gốc hệ thống sẽ tính toán vị trí của thiết bị định vị

Phương pháp sử dụng tần số vô tuyến để theo dõi và giám sát tội phạm, việc tính toán vị trí đối tượng khá phức tạp do khó khăn trong việc xây dựng

mô hình toán học Tần số vô tuyến thường không ổn định, bị ảnh hưởng bởi môi trường, việc đồng bộ thời gian không phải lúc nào cũng chính xác nên dễ gây ra sai số.

2.2.2 Sử ụng công nghệ d GNSS

Phương pháp theo dõi và giảm sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS

sẽ ghi lại vị trí của đối tượng tại bất cứ nơi nào đối tượng có mặt và tại bất cứ thời điểm nào

Phương pháp này phù hợp trong các trường hợp sau:

• Theo dõi đối tượng có yêu cầu về các vùng không được xâm nhập (như trường học, nơi ở của nạn nhân…)

• Theo dõi đối tượng tại những địa điểm đặc biệt (như nơi làm việc, trung tâm cai nghiện…)

• Giám sát quá trình di chuyển của đối tượng để xác định lịch trình

Hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS có khả năng giúp lực lượng cảnh sát theo dõi và giám sát tội phạm một cách hiệu quả Nhờ có hệ thống này cảnh sát không cần trực tiếp theo dõi mà có thể giám sát đối tượng từ xa, kịp thời phát hiện những hành vi sai phạm để đưa ra biện pháp đối phó kịp thời

Ưu điểm nổi bật của hệ thống theo dõi, giám sát dựa trên công nghệ

GNSS là khả năng xác định chính xác vị trí của đối tượng khi họ di chuyển trong một phạm vi nào đó Ngoài ra hệ thống còn có khả năng theo dấu di chuyển của đối tượng Kết hợp cùng phần mềm bản đồ, GNSS cho phép thiết lập trước các vùng mà đối tượng được phép hay không được phép lưu tới, từ

đó kiểm soát di chuyển của đối đượng, đưa ra tín hiệu cảnh báo khi đối tượng xâm nhập khu vực không được phép Hệ thống này không có khả năng ngăn chặn các hoạt động của đối tượng nhưng có thể thông báo cho người giám sát

biết lịch trình của đối tượng Không có GNSS, những thông tin này rất khó nắm bắt

2.3 Các công nghệ mới ứng dụng trong các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm.

Cùng với sự phát triển chung của khoa học công nghệ, các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm cũng không ngừng cải tiến công nghệ Phần lớn các nghiên cứu đều tập trung vào phát triển các kỹ thuật hỗ trợ khả năng giám sát trong môi trường “indoor” được tốt hơn Phần lớn các thiết bị theo dõi và giám sát được sử dụng gần đây đều có một khiếm khuyết đáng kể, đó là khả năng theo dõi trong môi trường ‘indoor” Đây là vấn đề không dễ giải quyết Theo các nghiên cứu thì các cá nhân trung bình dành 90% thời gian của mình

ở trong “indoor”, vì vậy giải quyết vấn đề theo dõi trong môi trường ‘indoor”

là việc làm cần thiết để hoàn thiện hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm.[5]

2.3.1 Giải pháp tích hợp Assisted GPS (AGPS)

AGPS là giải pháp là giải pháp sử dụng mạng tế bào cung cấp thông tin

hỗ trợ định vị cho đầu cuối có khả năng GPS

Sử dụng giải pháp tích hợp AGPS cùng với các thuật toán phức tạp, vị trí đối tượng có thể được xác định ngay cả khi chỉ thu được một phần tín hiệu

từ vệ tinh Sự cải tiến trong công nghệ anten cũng đem lại nhiều ích lợi, thiết

bị có thể tập hợp được dữ liệu từ vệ tinh trong điều kiện trước kia là không thể

Giải pháp tích hợp AGPS có ưu điểm là tăng độ chính xác, giảm thời gian cần thiết để xác định vị trí, giảm tiêu hao năng lượng, tăng khả năng hoạt động của bộ thu trong môi trường “indoor”

2.3.2 Sử dụng đối sánh mẫu (Fingerprinting)

Đây là phương pháp dựa trên việc gắn thông tin vị trí với giá trị năng lượng tín hiệu tín hiệu thu được từ máy phát Đầu tiên xây dựng cơ sở về giá

trị năng lượng tín hiệu tại các vị trí mẫu có tọa độ xác định Máy thu sẽ xác định giá trị năng lượng tại vị trí đối tượng, đối sánh với cơ sở dữ liệu để đưa

ra vị trí ước đoán

Phương pháp này phù hợp với mục đích giám sát “indoor” sử dụng hạ tầng mạng WLAN khi phương pháp định vị GNSS thực hiện không tốt

2.3.3 Suy diễn tính toán (Dead Rekoning)

Suy diễn tính toán là quá trình thiết lập vị trí hiện thời của đối tượng dựa trên vị trí được xác định trước đó và hướng và vận tốc dịch chuyển đã biết của đối tượng Các thiết bị theo dõi tội phạm cần sử dụng đồng hồ đo gia tốc, đồng hồ đo quãng đường, dụng cụ đo độ cao, con quay hồi chuyển…Khi tín hiệu GNSS mất, thiết bị định vị công nghệ cao này sẽ thay thế cho đến khi

GNSS được thiết lập lại ằng các cảm biến hướng, độ cao, gia tốc, thiết bị Bnày có thể thiết lập đường đi riêng trong khoảng thời gian không có tín hiệu

vệ tinh

Kỹ thuật suy diễn tính toán có độ chính xác cao (do sử dụng các cảm biến chính xác), giúp cho việc theo dõi tội phạm không bị gián đoạn sau khi mất tín hiệu GNSS Điều đó đem lại lợi ích lớn khi theo dõi và giám sát các đối tượng tội phạm đang ở trong các tòa nhà cao tầng

2.3.4 WiFi và WiMax

Sử dụng hệ thống WiFi và WiMax có khả năng lấy các thông tin về vị trí Nhiều thiết bị không dây có thể chia sẻ thông tin vị trí với một thiết bị khác bằng cách kích hoạt các đặc điểm vị trí của thiết bị Phương pháp này sẽ trở nên khả thi tại nơi tập trung nhiều nút thông tin như trung tâm thành phố, nơi có mật độ dân số cao Do tín hiệu gần nên chúng có thể thu thập dữ liệu nhiều vị trí mà GNSS hoàn toàn bị che phủ

2.3 .5 Các tín hiệu radio công cộng/TV/FM

Một phương thức thông minh khác để xác định vị trí là phân tích các tín hiệu radio nào đó được phát đồng thời từ nhiều trạm lặp Các nghiên cứu gần đây đã đưa ra một thiếtbị nghe tín hiệu vô tuyến hay FM được phát quảng bá

từ nhiều trạm lặp Do vị trí của các trạm lặp đã biết trước, sự chênh lệch thời gian tới có thể được phân tích để xác định vị trí của thiết bị theo dõi Một nghiên cứu khác sử dụng thời gian tới để xác định vị vị trí bằng cách phân tích sự truyền sóng Các kỹ thuật mới này đang được xem xét để đưa vào ứng dụng trong các thiết bị theo dõi và giám sát tội phạm

2.4 Lựa chọn phương pháp

Qua khảo sát các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm công nghệ điện tử, phân tích đánh giá từng phương pháp cũng như đối chiếu với điều kiện nước ta hiện nay, dễ dàng nhận thấy:

- Cá phương pháp thuộc thế hệ thứ nhất Các phương pháp này tuy c : đơn giản nhưng có hạn chế không dễ khắc phục là chỉ theo dõi và giám sát tội phạm tại một địa điểm xác định Có thể nói các phương pháp thuộc thế hệ thứ nhất đã quá lạc hậu và không còn phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ của ngành Công an trong giai đoạn hiện nay

- Các phương pháp sử dụng công nghệ mới có ưu điểm là hỗ trợ khả năng định vị trong môi trường “indoor”, khắc phục được phần nào hạn chế của các phương pháp thuộc thế hai Tuy nhiên các công nghệ mới này đòi hỏi phải đáp ứng được các điều kiện về cơ sở hạ tầng viễn thông phương pháp (WiFi và WiMax), các yêu cầu về thiết bị phụ trợ (các cảm biến, đồng hồ đo…trong phương pháp suy diễn tính toán), về cơ sở dữ liệu chuẩn (cơ sở về giá trị năng lượng tín hiệu tại các vị trí mẫu có tọa độ xác định trong phương pháp đối sánh mẫu)… Các yêu cầu này trong điều kiện nước ta hiện nay chưa thể đáp ứng được

- Tuy còn hạn chế về khả năng định vị trong môi trường “indoor”, sử dụng các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm thế hệ thứ hai vẫn là lựa chọn hợp lý nhất trong điều kiện hiện nay Do những hạn chế của phương pháp sử dụng tần số vô tuyến như khó khăn trong việc xây dựng mô hình toán học, độ chính xác kém…nên giải pháp sử dụng công nghệ GNSS là ưu tiên lựa chọn hàng đầu.

Các hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS

đã được lực lượng Công an nhiều nước trên thế giới áp dụng và đem lại hiệu quả cao.[5]

III Phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS 3.1 Các hướng ứng dụng

3.1.1 Cải tạo không giam giữ

Một số tội phạm phạm tội ít nghiêm trọng có thể áp dụng hình phạt cải tạo không giam giữ (án treo), họ có thể đi lại bất cứ đâu trong địa bàn cư trú Thiết bị theo dõi và giám sát dựa trên công nghệ GNSS sẽ giúp cảnh sát biết chính xác vị trí của đối tượng Hơn thế nữa nhờ có thiết bị này tòa án có công

cụ tin cậy giúp họ không nhất thiết phải giam giữ những đối tượng phạm tội không nghiêm trọng

3.1.2 Giám sát những đối tượng bị tình nghi

Một số đối tượng bị tình nghi có thể được bảo lãnh (sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với việc tạm giam họ nhiều tháng đến khi mở phiên toàn xét xử) Thiết

bị theo dõi và giám sát sử dụng công nghệ GNSS là một phần trong cam kết

mà đối tượng tình nghi phải tuân theo trong thời gian đợi hầu tòa Sử dụng thiết bị này giúp lực lượng cảnh sát theo dõi mọi di chuyển của đối tượng, tránh để đối tượng bỏ trốn đồng thời làm kẻ bị tình nghi không dám tham gia vào các tội ác khác khi biết mình đang bị theo dõi tại bất cứ nơi đâu

3.1.3 Giám sát quá trình di chuyển tù nhân

Một số tù nhân trong quá trình chuyển trại thường có ý định bỏ trốn, nhất là khi đi qua những đoạn đường hẻo lánh, có địa hình phức tạp ít người qua lại Sử dụng thiết bị theo dõi và giám sát sử dụng công nghệ GNSS sẽ giúp lực lượng cảnh sát luôn luôn theo dấu tù nhân, đặc biệt khi tù nhân bỏ trốn sẽ truy bắt nhanh chóng và kịp thời Đồng thời tù nhân khi biết mình bị theo dõi như vậy cũng từ bỏ ý định bỏ trốn

3.1.4 Theo dõi các đối tượng nguy hiểm khi hết hạn tù

Giải pháp theo dõi các đối tượng phạm tội nguy hiểm đã hết hạn tù dựa trên công nghệ GNSS giúp lực lượng cảnh sát giữ cảnh giác với loại tội phạm nguy hiểm này từ thời điểm chúng được ra tù Hệ thống giúp cảnh sát theo dõi

và giám sát mọi di chuyển của đối tượng hàng ngày Các cảnh sát sẽ được báo động khi đối tượng không ở khu vực đã đăng ký hoặc lại gần các khu vực cấm Hệ thống giúp lực lượng cảnh sát không mất dấu những đối tượng đặc biệt nguy hiểm

3.1.5 Kiểm soát các băng nhóm tội phạm

Kiểm soát các thành viên trong băng nhóm tội phạm không cho chúng tiếp xúc với nhau là một một cách an toàn để phòng ngừa các hành vị phạm tội Hệ thống theo dõi và giám sát dựa trên công nghệ GNSS sẽ thông báo cho lực lượng cảnh sát khi các đối tượng bị theo dõi tiếp cận nhau Các đối tượng muốn rời khỏi băng nhóm tội phạm sẽ không thể tìm được lí do từ chối mang theo thiết bị này

3.1.6 Ngăn chặn bạo lực gia đình

Để ngăn chặn các đối tượng có hành vi bạo lực tiếp xúc với nạn nhân,

sử dụng hệ thống theo dõi và giám sát sẽ giúp lực lượng cảnh sát xác định vị trí của đối tượng trong mối tương quan với vị trí của nạn nhân Đồng thời hệ thống sẽ cảnh báo cảnh sát và nạn nhân khi đối tượng đến gần

3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS gồm

có nhiều thành phần hợp thành trong đó thành phần không thể thiếu là bộ tracking, bộ phận phát Ngoài ra còn có trạm nạp dữ liệu, các thiết bị thông tin

và hệ thống máy tính theo dõi tại trung tâm

Đối tượng được gắn một bộ phát cố định, không thể tháo rời (thường ở kheo chân) Thiết bị này sẽ phát tín hiệu RF tới bộ phận tracking Đó thường

là một hộp nhỏ gọn được đeo trên lưng đối tượng Bộ phận này nhận tín hiệu

RF và tính toán vị trí của đối tượng từ thông tin thu được từ vệ tinh Ngoài ra

bộ tracking còn có khả năng ghi lại liên tục thông tin vị trí của đối tượng theo ngày giờ Thông tin này có thể được cấp nhật thường xuyên theo một khoảng thời gian xác định Bộ phát RF được lập trình để phát hiện trường hợp nó nằm ngoài khoảng cách định trước so với bộ tracking Chẳng hạn khi đối tượng rời khỏi nhà mà không mang theo bộ tracking, nó sẽ ghi lại thông tin bộ phát ngoài phạm vi cho phép Mặc dù bộ phát gắn ở kheo chân về lý thuyết là không thể tháo rời nhưng đối tượng vẫn có thể phá hỏng hoặc tháo bỏ, khi đó

bộ tracking sẽ nhận và lưu lại thông báo về tình trạng của bộ phát

Hiện nay có 3 dạng công nghệ GNSS được sử dụng để theo dõi và giám sát tội phạm

- Dạng chủ động: Hệ thống cho phép bộ tracking phát thông tin về vị trí đối tượng tới trung tâm giám sát theo thời gian thực Vì vậy hệ thống cần thiết

bị điện thoại di động để truyền thông tin và xác định khi bộ phát nằm ngoài phạm vi hoặc bị tháo rời

- Dạng bị động: Dữ liệu về vị trí và thời gian được lưu lại tại bộtracking, các thông tin này được tải về khi bộ tracking được lấy dữ liệu mỗi ngày Thiết bị nạp dữ liệu được kết nối với đường điện thoại cố định để truyền thông tin tới trung tâm giám sát

- Dạng lai: Đây là hệ thống kết hợp giữa hai dạng chủ động và bị động

Nó khác dạng chủ động là gửi dữ liệu về trung tâm sau một khoảng thời gian nào đó có thể là vài giờ hoặc 2 3 lần mỗi ngày Nếu bộ phát nằm ngoài phạm -

vi hoặc bị tháo bỏ hệ thống sẽ hoạt động như dạng chủ động tức là gửi thông báo thời gian thực bằng điện thoại di động tới trung tâm

3.3 Một số hạn chế của phương pháp sử dụng công nghệ GNSS

3.3.1 Về mặt công nghệ

Cũng giống như bất cứ công nghệ nào, công nghệ GNSS cũng có một

số hạn chế khi được ứng dụng trong hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm

Đó là các vấn đề về đô thị hóa, ảnh hưởng của các tòa nhà cao tầng, ảnh hưởng của thời tiết, vùng câm của thông tin di động và các vấn đề về acquy…Phần lớn các vấn đề này liên quan đến việc đảm bảo đường truyền từ

vệ tinh đến thiết bị tracking và từ thiết bị tracking về trung tâm [4]

- Vấn đề đô thị và nông thôn: Một trong các hạn chế của công nghệ GNSS là việc không có khả năng duy trì liên tục tín hiệu v tinh và tín hiệu di ệ động để lấy dữ liệu về vị trí Một số khu vực thành thị có thể bị mất tín hiệu khi tội phạm ở trong khu vực tập trung nhiều các tòa nhà cao tầng hay các hầm đường bộ Tín hiệu có thể không bị mất ngay mà bất chợt bị mất khi bị cản bởi các tòa nhà trước khi đến máy thu Ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường cũng có thể gây ra trễ tín hiệu đến dẫn đến tính toán không chính xác về vị trí Trái ngược với khu vực thành thị, tại nông thôn lại xảy ra tình trạng mất tín hiệu thông tin di động tại một số khu vực xa trung tâm

- Bên trong các tòa nhà cao tầng: Một hạn chế tương tự của công nghệ GNSS là trong một số trường hợp tín hiệu có thể bị che phủ bởi sự đa dạng các vật liệu trong các toàn nhà cao tầng Khi tội phạm vào trong các tòa nhà, đặc biệt là tại tầng trệt, tín hiệu có thể bị chặn

- Ảnh hưởng của thời tiết Trong một số trường hợp khi thời tiết quá : khắc nghiệt có thể phải ngắt các thiết bị GNSS bằng cách chặn trước các tín hiệu vệ tinh và đường truyền máy thu

- Acquy: Có một số vấn đề liên quan đến acquy, đó là việc vừa đảm bảo thời gian hoạt động của acquy vừa đảm bảo kích thước acquy sao cho nhỏ gọn nhất có thể

3.3.2 Các vấn đề khác

Nhìn bề ngoài có thể nói đối với các lực lượng chức năng lợi ích lớn nhất của việc theo dõi và giám sát tội phạm bằng công nghệ GNSS là biết ngay trong vòng một vài phút một đối tượng phạm tội cần theo dõi có vi phạm các thỏa thuận khi được phóng thích như rời khỏi nơi ở đã đăng ký hay

đi vào vùng cấm hay không Tuy nhiên đôi khi các lực lượng chức năng cũng cảm thấy phiền toái với hệ thống GNSS này Quá nhiều thông tin có thể gây

ra tình trạng quá tải, khi đó lực lượng chức năng phải phản ứng lại liên tục hàng ngày với các thông báo gửi tới từ hệ thống mà nhiều khi trong đó có nhiều thông tin không quan trọng.[8]

Hạn chế lớn nhất của hệ thống GNSS chủ động là nhận thức sai lầm rằng cảnh sát hay c ng đồng ộ luôn có thể can thiệp để ngăn cản hành vi phạm tội Điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được vì rất ít lực lượng có đủ phương tiện chuyên dụng cũng như có đủ thời gian để rời khỏi văn phòng đến hiện trường khi nhận được điện thoại hay thông báo trước khi tội ác xảy ra

Cả hệ thống bị động và chủ động đều cung cấp những chi tiết quan trọng và

cụ thể về hành vi của đối tượng khi họ sống trong cộng đồng Từ đó sẽ giúp lực lượng chức năng chú tâm vào những điểm cần chú ý về hành vi của đối tượng với hi vọng các tội ác trong tương lai có thể được ngăn chặn Hệ thống GPS có thể đưa ra mối tương quan giữa các tội ác từ đó có thể cảnh báo các lực lượng chức năng để kịp thời đưa ra các biện pháp ngăn chặn thích hợp

Một hạn chế nữa của hệ thống là chi phí để duy trì hoạt động của hệ thống là khá cao, chi phí này phải do các đối tượng phạm tội chi trả Vấn đề đặt ra là không phải đối tượng nào cũng có đủ khả năng tài chính để chi trả vì vậy khả năng áp dụng hệ thống phần nào bị hạn chế Đồng thời khi áp dụng

hệ thống cũng cần thêm nhiều cán bộ để có thể đảm bảo công việc nhất là với

hệ thống chủ động cần theo dõi và giám sát 24/24h

Hạn chế cuối cùng khi đưa hệ thống vào hoạt động thực tế là những rắc rối về mặt pháp lý có thể xảy ra Điều này đòi hỏi lực lượng chức năng phải đưa ra một quy trình áp dụng cụ thể, chặt chẽ theo đúng pháp luật hiện hành

- Thời gian hoạt động của acquy: tìm biện pháp cải tiến nâng cao thờigian hoạt động của acquy mà không ảnh hưởng đến hệ thống

- Định vị bằng công nghệ GNSS không phù hợp trong môi trường

“indoor”, vì vậy cần nghiên cứu tìm giải pháp hỗ trợ

- Nghiên cứu tâm lý tội phạm: việc nghiên cứu tâm lý tội phạm sẽ hỗ trợ rất lớn cho lực lượng chức năng, nhất là trong việc tìm ra quy luật hoạt động, các thói quen của tội phạm…từ đó sẽ giúp lực lượng chức năng phản ứng nhanh với các thông tin thu được từ hệ thống theo dõi và giám sát, có khả năng ngăn cản kịp thời các hành vi phạm tội

- Xây dựng quy trình về mặt pháp lý để đưa hệ thống vào hoạt động trong thực tế: các đối tượng nào nên áp dụng biện pháp theo dõi và giám sát này, các yêu cầu mà đối tượng cần thỏa mãn, xây dựng biên bản thỏa thuận

giữa hai bên quy định rõ yêu cầu và trách nhiệm, các biện pháp xử lý khi có vi phạm…

Tóm lại, để thiết lập một hệ thống theo dõi và giám sát tội phạm hoạt động hiệu quả đáp ứng các yêu cầu, nhiệm vụ của ngành Công an là một việc không dễ dàng Nó đòi hỏi các hiểu biết về công nghệ, kinh phí của nhà nước, đội ngũ cán bộ có trình độ và năng lực quản lý …và một quy trình pháp lý thật chặt chẽ

Kết luận: Chương 1 của luận văn đã khảo sát và phân tích đánh giá các phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm điện tử, lựa chọn phương pháp phù hợp nhất có khả năng áp dụng thực tế tại Việt Nam Đó là phương pháp theo dõi và giám sát tội phạm sử dụng công nghệ GNSS

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU VÀ

Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý của hệ thống định vị toàn cầu (Global Position System GPS) hay tên gọi mới phổ biến hơn là hệ thống -

vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System GNSS) Hệ – thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu được nhiều người biết đến nhất hiên nay là

GPS do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO do Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo và sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai (2013) Ngoài ra còn có các hệ thống khác mang tính địa phương như BeiDou (BeiDou Navigation System) của Trung Quốc, QZSS

(Quasi Zenith Satellite System) của Nhật Bản, DORIS (Doppler

-Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) của Pháp, IRNSS

(Indian Regional Navigational Satellite System) của Nhật Bản

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực và ngày càng chứng minh được tính hữu dụng của nó

1.2 Lịch sử phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Từ xa xưa con người đã luôn tìm cách xác định xem mình đang ở đâu,

đi đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào Những hiểu biết về vị trí mang ý nghĩa sống còn đối với họ trong cuộc sống Đầu tiên họ đánh dấu đường mình đã đi để khi về không bị lạc, sau đó bản đồ ra đời và phát triển thành mạng vĩ tuyến và kinh tuyến

Khi di chuyển trên biển, đầu tiên con người dựa vào các vì sao, vào các ngọn hải đăng để dẫn đường Sau đó họ biết dùng la bàn, kim là bàn luôn chỉ hướng cực bắc và cho chúng ta biết hướng mà chúng ta đang đi

Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện (radio-based navigation systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2 Các tàu chiến và máy bay quân sự của quân đồng minh

và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó

Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến vẫn còn sử dụng đến ngày ngay nhưng chúng có một số hạn chế không dễ khắc phục Đó là nếu hệ thống có vùng bao phủ rộng lớn lại không chính xác và ngược lại nếu chính xác thì vùng bao phủ lại hạn chế Chính vì vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần trong không gian và phát sóng xuống trái đất Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và vẫn tới được trái đất cách xa ở phía dưới

với một mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu Ý tưởng này đã đúc kết lại 2000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” (space based lighthouses) làm đồng -

bộ được với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị trí chính xác

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có thể cho chúng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào ở trên bề mặt trái đất với sai số trong khoảng khoảng 6-9 mét, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày Với máy thu có độ chính xác cao hơn thu tín hiệu “hiệu chỉnh vi phân” bằng máy thu GPS đặc biệt đặt ở vị trí cố định đã biết, chúng ta có thể thu được vị trí với sai số có thể giảm xuống phạm vi nhỏ hơn 1 mét

1.3 Vài nét khái quát về các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS và GLONASS đang hoạt động, GALILEO đang triển khai Cả ba hê thống định

vị toàn cầu ngày nay được gọi tên chung là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS Ngoài ra còn có các hệ thống dẫn đường mang tính địa phương 1.3.1 GPS

Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí GPS bao gồm 24 vệ tinh sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo

1.3.2 GLONASS

Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) là

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu do Liên bang Sô viết (cũ) thiết

kế và điều hành Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động Nga đang phát triển một vài thế hệ tàu vũ trụ mới hiện

đại để bổ xung đầy đủ các vệ tinh Tuy nhiên họ không mong đợi sẽ bổ xung đầy đủ 24 vệ tinh cho tới năm 2011 2012 Phần không gian của hệ thống -GLONASS bao gồm 21 vệ tinh cộng với 3 vệ tinh dự phòng trên ba mặt phẳng quỹ đạo

1.3.3 GALILEO

Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quân sự Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nều như cơ quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví

dụ như SA của GPS Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế

và điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2012 GALILEO được thiết kế gồm 30

1.3.4.2 QZSS

QZSS là hệ hệ thống dẫn đường vệ tinh bản địa của Nhật Bản nâng cấp

từ hệ thống định vị toàn cầu Dự kiến hệ thống sẽ đi vào hoạt động vào năm

2013 QZSS được thiết kế để hỗ trợ thông tin di động và các dịch vụ mở rộng GPS

1.3.4.3 DORIS

DORIS là hệ thống vệ tinh của Pháp được sử dụng để định vị và xác định các quỹ đạo vệ tinh

1.3.4.4 IZNSS

IZNSS là hệ thống vệ tinh dẫn đường của Ấn Độ Dự án này được Chính phủ Ấn ĐỘ chấp nhận vào năm 2006 và sẽ hoàn thành năm 2012 (dự kiến phóng vệ tinh đầu tiên vào tháng 12/2009 và đến năm 2012 phóng toàn

bộ 7 vệ tinh)

II Nguyên lý cơ bản của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu như GPS, GLONASS, GALILEO có nguyên lý về cơ bản là giống nhau Ở đây chúng ta tìm hiểu về nguyên lý của hệ thống định vị toàn cầu GPS

2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS thế hệ thứ hai đều mang theo hai đồng hồ nguyên tử ceisium và hai đồng hồ nguyên tử rubidium để đưa thông tin thời gian vào tín hiệu phát Vệ tinh GPS sử dụng tín hiệu đường xuống băng L, được chia thành hai băng tần con L1, L2 có tần số sóng mang tương ứng là f1= 1575,42MHz, f2=1227,6MHz, với tần số cơ sở f0 =10,32 Mhz người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần f1=154f0 , f2=120f0

Tín hiệu từ vệ tinh GPS là dòng dữ liệu tốc độ 50bps mang các thông tin cơ bản sau:

• Lịch thư (Satellite Almanac Data): Dữ liệu này chứa thông tin về quỹ đạo tương đối của tất cả 24 vệ tinh Mỗi lịch thư có giá trị trong 4 tháng một lần bởi trạm chủ đặt ở Mỹ Máy thu GPS sẽ thu và lưu tín hiệu này Lịch thư được sử dụng để dò tìm vệ tinh khi bắt đầu bật máy thu bởi nó

có thể cho ta biết khu vực vệ tinh đang bay

• Lịch sao (Satellite Ephemeris Data): Đây là dữ liệu chính xác về vệ tinh

để máy thu có thể đo chính xác khoảng cách đến vệ tinh nhằm phục vụ cho tính toán dẫn đường Mỗi vệ tinh chỉ phát lịch sao của chính nó

• Dữ liệu thời gian (Satellite Timing Data): Dữ liệu này được sử dụng để tính thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu và từ đó có thể xác định cự ly bằng phép nhân thời gian truyền với tốc độ lan truyền sóng điện từ (c=3.108 m/s) Vì khoảng cách này khi đo có sai số nên gọi là giả khoảng cách (pseudorange)

2.2 Cơ cấu của hệ thống

Hệ thống định vị toàn cầu được cấu tạo thành ba phần (phần không gian – space segment, phần điều khiển – control segment và phần người sử dụng – user segment)

Hình 2.2 B a phần của hệ thống định vị toàn cầu

2.2.1 Phần không gian

Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh quay xung quanh trái đất hai lần trong ngày với quỹ đạo rất chính xác Độ cao của vệ tinh so với mặt

đất xấp xỉ 20.200 km, chu kỳ quay là 11h57’58’’ Quỹ đạo chuyển động của

vệ tinh nhân tạo là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay

đã có nhiều thế hệ vệ tinh khác nhau Đó là các thế hệ vệ tinh Block I, Block

II, Block IIA, Block IIR, Block IIF và thế hệ mới nhất là Block III Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn

Nhiệm vụ chủ yêu của các vệ tinh là:

• Ghi nhận và lưu trữ thông tin được truyền đi từ phần điều khiển

• Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh

• Duy trì tính chính xác cao của thời gian bằng các đồng hồ nguyên tử

• Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng

• Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất

2.2.2 Phần điều khiển

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển gồm một trạm điều khiển chính, năm trạm thu số liệu, ba trạm phát số liệu

Trạm điều khiển chính đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý Các công việc chính là tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ đạo điều khiển, thay thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng vệ tinh dự phòng.Các trạm thu số liệu được đặt tại Hawai, Colorade Springs , Ascension (Nam Đại Tây Dương), Diago Garia (Ấn Độ Dương), Kwayalein (Nam Thái Bình Dương) có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán

quỹ đạo của chúng Mỗi trạm được trang bị các máy thu P code để thu các tín hiệu của vệ tinh sau đó truyền về trạm điều khiển chính

-Các trạm truyền số liệu đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein có khả năng truyền số liệu lên vệ tinh gồm lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng

hồ, các thông điệp cần phát, các lênh điều khiển từ xa

2.3 Nguyên lý xác định vị trí của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Máy thu GPS tính toán vị trí của nó bằng cách xác định chính xác khoảng thời gian tín hiệu được gửi từ vệ tinh tới trái đất Mỗi vệ tinh liên tục phát các bản tin bao gồm cả thời gian gửi, thông tin chính xác về quỹ đạo (lịch thiên văn), tình trạng hệ thống chung và các quỹ đạo gần đúng của tất cả các vệ tinh GPS (niên lịch) Máy thu đo thời gian phát của mỗi bản tin và tính toán khoảng cách tới mỗi vệ tinh Sử dụng phương pháp giao đường tròn kết hợp khoảng cách này với vị trí của các vệ tinh để xác định vị trí của máy thu

Vị trí có thể được hiển thị trên bản đồ hoặc dưới dạng kinh độ và vĩ độ, có thể bao gồm các thông tin thêm như hướng di chuyển hay vận tốc được tính từ

sự thay đổi vị trí

Về mặt lý thuyết, do không gian là không gian ba chiều nên chỉ cần ba

vệ tinh là đủ tính toán vị trí Tuy nhiên với một sai số đồng hồ dù rất nhỏ cộng với vận tốc ánh sáng rất lớn sẽ dẫn đến kết quả làm sai số vị trí lớn Vì vậy máy thu cần sử dụng tối thiểu bốn vệ tinh để tìm ra lời giải phương trình bốn

ẩn x, y, z và t Thông số t được sử dụng để hiệu chỉnh đồng hồ máy thu

2.3.1 Nguyên tắc xác định vị trí

Để tính toán vị trí của máy thu cần xác định:

• Vị trí các vệ tinh

Các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh nhưng Bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh GPS

• Giả khoảng các

Giả khoảng cách được xác định dựa trên phương pháp đo thời gian lan truyền của tín hiệu định vị Sử dụng pha mã (code phase ranging) để đo thời gian Đây là phương pháp dựa trên kỹ thuật trải phổ Tín hiệu định vị được điều chế bởi một mã trải phổ biết trước, trạm phát và máy thu đồng thời cùng tạo ra một mã trải phổ Mã trải phổ nhận tại máy thu sẽ được so sánh với mã tham chiếu để xác định số chip dịch chuyển từ đó tính ra khoảng cách tương ứng

Cơ chế xác định vị trí máy thu từ vị trí các vệ tinh đã biết và các giả khoảng cách đo được

Để xác định vị trí máy thu sử dụng phương pháp giao đường tròn Vị trí cần xác định là nghiệm của hệ phương trình:

ρ

u u u

2 3

xi, yi, zi: tọa độ thực của vệ tinh (đã biết)

xu, yu, zu: tọa độ thực của máy thu (không biết)

bu: sai số đo gây ra bởi sai lệch giữa clock của máy thu và của vệ tinh (không biết)

Lấy vi phân hai vế:

u u

i u

i u

i

u u i u u i u u i

z z y

y x

x

z z z y y y x x x

δ δ δ

δ

− +

− +

−

− +

− +

−

=

2 2

) (

) (

) (

) (

u u

i

u u i u u i u u

b

z z z y y y x x

ρ

δ δ

δ

+

−

− +

− +

b z y x

δ δ δ δ

α α α

α α α

α α α

α α α

δρ δρ δρ δρ

1 1 1 1

43 42 41

33 32 31

23 22 21

13 12 11

4 3 2 1

Trong đó:

u i

u i i

b

x x

u i i

b

y y

u i i

b

z z

43 42 41

33 32 31

23 22 21

13 12 11

1 1 1 1

δρ δρ δρ δρ

α α α

α α α

α α α

α α α

δ δ δ δ

u u u u

b x y x

Chỉ số xác định độ chính xác của quá trình tìm nghiệm:

2 2 2

2u y u z u b u x

δ = + + + Trong trường hợp có nhiều hơn 4 vệ tinh:

Phương trình vi phân:

n n n n

b z y x

δ δ δ δ

α α α

α α α

α α α

α α α

α α α

δρ

δρ δρ δρ δρ

1

1 1 1 1

3 2 1

43 42 41

33 32 31

23 22 21

13 12 11

4 3 2 1





Trong đó:

u i

u i i

b

x x

u i i

b

y y

u i i

b

z z

δρ = 1 2

n

u b z y

xδ δ δ δ

3 2 1

43 42 41

33 32 31

23 22 21

13 12 11

n n

nα α α

α α α

α α α

α α α

α α α

Thuật toán xác định vị trí máy thu:

• Lựa chọn điểm ước lượng ban đầu: xu0, yu0, zu0 và sai lệch ước lượng

u i i

b x x

u i i

b y y

u i i

b z z

• Xác định chỉ số chính xác δv0 So sánh nó với điều kiện dừng δvs, nếu lớn hơn thì thực hiện các bước dưới đây, nếu không thì dừng lại

• Vị trí mới của máy thu:

xu(i+1), yu(i+1), zu(i+1), bu(i+1) = xu(i), yu(i), zu(i), bu(i) x+ δ i, δyi, δzi, δbi

Quay lại các bước trên với giá trị khởi tạo mới xu(i+1), yu(i+1), zu(i+1),

bu(i+1)

Kết thúc quá trình xác định vị trí máy thu, ta có vị trí “đo” của máy thu

là: xnom, ynom, znom, bnom (≠ x,y,z,b thực)

III Sai số và những phương pháp nâng cao độ chính xác

3.1 Cấp chính xác của hệ thống GPS

Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng rào chắn SA (Selective Avaibility) nhằm làm giảm độ chính xác của người sử dụng thiết bị GPS phi quân sự Đây là rào chắn được xây dựng bằng sự kết hợp của các phương thức điều chế, các cấu hình khác nhau và chia GPS thành ba cấp dịch vụ với độ chính xác khác nhau

• Dịch vụ định vị chính xác (PPS- Precise Positioning Service)

• Dịch vụ định vị chuẩn không rào chắn (SPS without SA – Standard Positioning Service without Selective Avaibility)

• Dịch vụ định vị chuẩn có rào chắn (SPS with SA – Standard Positioning Service with Selective Avaibility)

PPS là dịch vụ có độ chính xác cao nhất Dịch vụ này chỉ được cung cấp cho quân đội Mỹ cà quân đội các nước đồng minh thân cận của Mỹ Dịch

vụ này có khả năng truy cập mã P và được rỡ bỏ tất cả các rào chắn SA Các dịch vụ định vị chuẩn SPS có độ chính xác thấp hơn và chỉ truy cập tới mã C/A ở băng L1

Tuy nhiên vào ngày 1/5/2000, Cựu Tổng thống Hoa Kỳ Bill Clinton đã

ký thông cáo quyết định hủy bỏ tất cả các rào chắn SA để cung cấp các dịch

vụ định vị chính xác hơn cho các máy thu GPS dân sự

3.2 Sai số trong định vị sử dụng vệ tinh

3.2.1 Sai số khoảng cách quy về sai số vị trí (UERE-User Equivelent Range

Error)

* Các nguồn gây UERE:

• Sự không đồng bộ giữa đồng hồ máy thu, đồng hồ trên vệ tinh với đồng

hồ hệ thống

• Lỗi gây ra do tầng điện ly

• Lỗi gây ra do tầng đối lưu

• Hiện tượng đa đường

• Nhiễu bộ thu

• Các sai số do ảnh hưởng của thuyết tương đối Anhxtanh

• Selective Availability (SA): tín hiệu được cố ý gây nhiễu để giới hạn độ chính xác của người dùng GPS dân dụng (không còn từ 1/5/2000) Các sai số của khoảng cách giả có thể được mô hình hóa như biến ngẫu nhiên

Ta có :

(SA) (no SA) SPS Không gian Sự ổn định của đồng hồ vệ tinh

Trạng thái vệ tinh

SA

3.0 1.0

-

3.0 1.0 32.3

3.0 1.0

-

Khác 0.5 0.5 0.5 Điều khiển Dự đoán lịch thiên văn

Khác

4.2 0.9

4.2 0.9

4.2 0.9 Người sử dụng Trễ điện ly

Trễ đối lưu

Nhiễu máy thu

Đa đườngKHác

2.3 2.0 1.5 1.2 0.5

5.0 1.5 1.5 2.5 0.5

5.0 1.5 1.5 2.5 0.5

vô cùng chính xác Sai số và độ trôi của đồng hồ vệ tinh được tính toán và truyền đến máy thu như một thành phần của tín hiệu từ vệ tinh Nhờ đó, máy thu có thể loại trừ được một phần sai số này Ngay cả với những nỗ lực tối đa của các trạm điều khiển trong việc theo dõi sự vận hành của các đồng hồ vệ tinh, sai số của chúng cũng không thể được xác định một cách chính xác hoàn toàn Các vệ tinh vẫn có sai số đồng hồ khoảng vài nano giây, tạo ra sai số cỡ

1 mét